DE2724330A1

DE2724330A1 - Gerichtet erstarrte eutektische gamma plus beta-superlegierungen auf nickelbasis sowie werkstuecke daraus

Info

Publication number: DE2724330A1
Application number: DE19772724330
Authority: DE
Inventors: Melvin Robert Jackson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1977-05-28
Publication date: 1977-12-15
Also published as: NO147607C; FR2353353A1; JPS52155125A; NL7705109A; FR2353353B1; NO771893L; NO147607B; GB1565578A; US4054469A

Description

Dr. rer. nah Horst Schüler 6000 Frankfurt/Main 1 27. Mai 1977

PATENTANWALT Kai.erstrosse 41 Dr .Sb/Hk/zy

01*9 4 ff) Π Telefon (0611) 235555

£ I Z H ö ö U Telex: 04-16759 mapat d

Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. « Bankkonto: 225/0389

•J Deutsche Bank AG. Frankfurt/M.

4178-RD-8195

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Gerichtet erstarrte eutektische Gamma plus Beta-Supertegierungen auf Nickelbasis sowie Werkstücke daraus

Die Erfindung bezieht sich auf gerichtet erstarrte beziehungsweise verfestigte multivariante beziehungsweise mehr als zwei Freiheitsgrade aufweisende eutektische Gamma plus Beta-SuperI egierungen auf Nickelbasis sowie Werkstücke daraus und sie bezieht sich mehr im besonderen auf eutektische Zusammensetzungen und Werkstücke daraus, die eine Gamma-PhasensuperI egierungsmatriχ auf Nickelbasis einschließen, die mit ausgerichteten Beta-Phasenlamellen, vorzugsweise Nickel-Eisen-Aluminiumlamellen verstärkt ist, wobei die Gamma-Phase eine flächenzentrierte kubische feste Lösung auf der Grundlage von Nickel und die Beta-Phase eine ra_umzentrierte kubische (CsCl) intermetallische Verbindung auf der Grundlage von (Ni,Fe) Al ist.

Die Entwicklung gerichtet erstarrter Superlegierungen auf Nickelbasis für den Gasturbinenbau hat den Punkt erreicht, wo Fortschritte auf eutektischen Super I egierungen auf Nickelbasis beruhen, da diese eine Orientierung der eutektischen Phasen und den Einschluß die eutektischen Phasen verstärkender Komponenten, wie Lamellen gestatten.

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In gerichtet erstarrten Verbundstoffen eutektischer Legierungen werden die erwünschten Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen, das heißt von mehr als 950 Grad Celsius auf Grund ausgerichteter Lamellenfasern erzielt, die als verstärkende Phase in der Legierungsmatrix dispergiert sind. Um die Oxidationseigenschaften und das Brechen unter Belastung bei hohen Temperaturen zu verbessern, ist es erwünscht, solche Legierungen zu finden. Insbesondere oxidationsbeständige eutektische Legierungen, die in einer Weise gerichtet verfestigt werden können, das eine durch Fasern oder Plättchen verstärkte Superlegierungsmatrix entsteht. Obwohl stark oxidationsbeständige SuperIegierungen mit Nickel, Aluminium, Chrom und Eisen allein oder mit anderen Legierungszusätzen bekannt sind, sind bisher keine oxidationsbeständigen eutektischen Legierungen hoher Festigkeit gefunden worden, die Nickel, Aluminium, Chrom und Eisen enthalten und die gerichtet verfestigt werden können.

In der vorliegenden Erfindung wurde nun ein gerichtet verfestigter multivarianter eutektischer Gamma plus Beta-Super Iegierungsgußkörper auf Nickelgrundlage mit verbesserter Hochtemperaturfestigkeit und verbesserter Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur gefunden, der eine eutektische 2-Phasenstruktur umfaßt, die aus einer Matrix, einer SuperIegierung auf Nickelbasis besteht, die eine ausgerichtete verstärkende lamellenartige Beta-Phase in einer Gamma-Phasen Matrix eingebettet enthält und die hauptsächlich aus Nickel, Eisen und Aluminium besteht, wobei die SuperIegierung auf Gewichtsprozentbasis 7 bis 12 Aluminium, 5 bis 40 Chrom, 3 bis Elsen und als Rest im wesentlichen Nickel enthält. Eine derzeit bevorzugte Superlegierung enthält auf Gewichtsprozentbasis 8 bis 11,5 Aluminium, 18 bis 28 Chrom, 5 bis 15 Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel. Da sich die Gamma- und Beta-Phase im

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Gleichgewicht befinden, sind alle Elemente der Legierung im wesentlichen in beiden Phasen vorhanden. Die vorgenannten Gußkörper enthalten einen beträchtlichen Volumenanteil einer verstärkenden Beta-(Ni,Fe)Al-Phase, die den Gußkörpern eine beträchtliche Bruchfestigkeit unter Belastung bei hoher Temperatur verleiht.

Un die Superlegierungen auf Nickelbasis aus der vorliegenden Erfindung zu erhalten, müssen die Legierungen gerichtet verfestigt werden, damit sich die (Ni,Fe)Al-reichen eutektischen Beta-Lamellen gleichzeitig mit der Matrix aus einer festen Lösung bilden und mit dieser verbunden werden. Die gerichtete Erstarrung kann nach einem oder Mehreren der bekannten Verfahren erfolgen, wie sie zum Beispiel in dem Buch von C. T. Sims et al. The Superalloys, Ui ley S Sons (1972) beschrieben sind.

Die maximale Geschwindigkeit der gerichteten Erstarrung der erfindungsgemäßen V"Beta-lamellaren Eutektika ist eine Funktion der Legierungszusammensetzung für einen festgelegten thermischen Gradienten. Im allgemeinen liegt der Temperaturgradient für die Erstarrung im Bereich von etwa 60 bis etwa 150 Grad Celsius pro Zentimeter und die Geschwindigkeit der gerichteten Erstarrung liegt im Bereich von etwa 0,64 bis etwa 10 Zentimeter pro Stunde bei einem thermischen Gradienten von 80 Grad Celsius pro Zentimeter. Da die Geschwindigkeit bei der gerichteten Erstarrung und die erhaltene Morphologie der Legierungen durch die Zusammensetzung der Legierungen beeinflußt ist, ist der Begriff ''Geschwindigkeit der gerichteten Erstarrung*' in der vorliegenden Anmeldung als eine Geschwindigkeit definiert, mit der die Legierungen verfestigt werden können, ohne daß sich unerwünschte Zeil- oder Dentrit-Struktüren bilden.

Die Beständigkeit der erfindungsgemäßen eutektischen Gamma plus Beta-Strukturen gegenüber zyklischer Oxidation (1 Stundenzyklen) bei Temperaturen zwischen 1100 und 200 Grad Celsius ist ausgezeichnet, wie sich auf Grund der Gewichtsveränderung und der Metallographie ergibt. Im allgemeinen gibt es in den Legierungen nach 1000

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Zyklen eine nominale Gewichtsveränderung. Die metallographische Untersuchung der Legierungen nach der zyklischen Oxidation zeigte eine haftende äußere Oxidschutzschicht benachbart einer Beta-entblößten beziehungsweise -verarmten Oberflächenschicht des Substrates, wobei der größte Teil des Substrates unverändert geblieben war.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, worin

^fig.1. ein Schliffbild eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Legierung auf Nickelbasis zeigt, die auf Gewichtsprozentbasis 54,6 Ni, 8,6 Al, 19,9 Cr und 16,9 Fe enthält und die mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Stunde gerichtet verfestigt worden war. Die in geringerem Anteil vorhandene lamellare Phase besteht aus (Ni, Fe)Al-reichen eutektischen -Betaphasenlamellen mit einen Abstand von 5 bis 6,5 Aim und

flg. 2. ist ein Schliffbild eines Längsschnittes der Legierung der

Zur Bestimmung des Bereiches der eutektischen Zusammensetzung wurden verschiedene quarternäre Ni-Al-Cr-Fe-Legierungen erschmolzen und mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Stunde gerichtet verfestigt. Thermische Haltepunkte (Erstarrungstemperaturen, die häufig auch als Schmelzpunkte bezeichnet werden) für jede der Legierungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

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Eutektische_Gamma-Beta-Sugerle2ierungen_auf_Nicke!basis

Legierungszusammensetzung in Gewichts% Thermischer Halteöl Äi

1	51.7	9.4	-	38.9
2	61 .7	10.3	-	28.0
3	71.8	11 .2	-	17.0
4	56.1	9.3	9.9	24.7
5	70.7	8.8	14.9	5.6
6	55.1	8.6	20.1	16.2
7	60.2	8.9	20.1	10.8
8	66.9	7.7	19.8	5.6
9	52.0	7.3	35.0	5.7
10	56.9	7.8	35.3	_

1371 1385 1370 1345 1338 1325 1308 1316 1285 1290

Wie die Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, gibt es für einen konstanten Chromanteil im wesentlichen keine Veränderung bei der eutektischen Temperatur mit Variation des Eisengehaltes. Die ausgerichteten eutektischen Zusammensetzungen mit Gamma-Betastruktur sind 1m wesentlichen die in der Tabelle angegebenen, da primäre Kristalle von entweder Gamma oder Beta nicht vorhanden sind. Zugaben von entweder Eisen oder Chrom verringern den Aluminiumgehalt der Verbundstoffausrichtung. Eine Zugabe von 10 Atomprozent von Eisen oder Chrom führt zu 1,5 Atomprozent weniger Aluminium in der eutektischen Legierung. Weite Variationen in den eutektischen Zusammensetzungen beeinflussen den Temperaturbereich für die Erstarrung nicht merklich, da auch bei großen Veränderungen in der Zusammensetzung der eutektischen Legierung bei einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 25 mm pro Stunde gut ausgerichtete Strukturen erzeugt werden können.

Wegen der Abnahme des Aluminiumgehaltes bei Zunahme von Chrom oder Eisen ändern sich die Dichten der Legierungen sehr wenig. Die für die obigen Legierungen bestimmten Dichten bleiben im Bereich von

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7,2 bis 7,6 g/cm wobei die meisten der Legierungen eine Dichte von 7,4 g/cm hatten. Diese Dichten betragen 85 bis 90 % der Dichten üblicher Superlegierungen.

Die Oxidationszyklen wurden mit den eutektischen Gamma-Beta-Superlegierungen auf Nickelbasis der Beispiele 1 bis 7 der vorstehenden Tabelle ausgeführt. Die zyklische Oxidation bestand aus Istündigen Zyklen der eutektischen Legierung zwischen 200 und 1100 Grad Celsius mit 50 Minuten bei jedem Zyklus bei 11QQ Grad Celsius. Die GewichtsVeränderungen wurden gemessen, um die Gewichtszunahme auf Grund der Oxidation und den Gewichtsverlust auf Grund von Oxidabspaltung zu verfolgen. Die metallographische Untersuchung nach der zyklischen Oxidation zeigte, daß eine haftende Oxidschicht gebildet war und daß ein geringer Verlust von Aluminium aus der Legierung aufgetreten war, um die Bildung der gut schützenden Aluminiumoxidschicht zu gestatten. Die Wärmekorrosionsbeständigkeit der quarternären Ni-Al-Cr-Fe-Legierungen ist auch als außerordentlich gut zu erwarten, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung ist ausgeglichen, um hohe Anteile an Chrom und Aluminium bei entsprechender Verringerung des Eisengehaltes beizubehalten.

Die Gamma-Beta-Legierungen der Beispiele 4 bis 9 wurden im Zugversuch auf ihre Festigkeiten bei Zimmertemperatur und erhöhter Temperatur untersucht. Der Bereich der Zugfestigkeiten, die für die Legierungen gemessen wurden, ist als Funktion der Test temperatur in Figur 3 angegeben. In dem für Gasturbinenmaterialien bedeutenden Temperaturbereich sind die eutektischen Gamma-Beta-Legierungen der vorliegenden Erfindung vergleichbar mit den derzeit üblichen SuperIegierungen auf Nickelbasis. Da die Dichten der erfindungsgemäßen eutektischen Gamma-Betalegierungen sehr viel geringer sind als die Dichten der üblichen SuperIegierungen bieten die

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erfindungsgemäßen Legierungen weitere Festigkeitsvorteile für rotierende Komponenten des heißen Abschnittes der Gasturbinen.

Das zu einer Ni AlCr-Legierung hinzugegebene Eisen entstabilisiert die Gamma'-PhasenbiIdung zu Gunsten stabiler eutektischer Gamma-Beta-Strukturen. Zugaben von Kobalt haben die gleiche Wirkung. Demgemäß kann nach der vorliegenden Erfindung der Eisengehalt der eutektischen Legierungen teilweise oder vollständig durch Kobalt ersetzt werden, wobei auf Gewichtsprozentbasis insgesamt bis zu etwa 35 X Kobalt hinzugegeben werden können. Eine Legierung auf Gewichtsprozentbasis aus 54,6 Ni, 19,9 Cr, 17,0 Co und 8,5 Al ist aluminiumarm, doch führte die chemische Segregation bei der gerichteten Erstarrung (20 mm pro Stunde) der Legierung in der oberen Hälfte eines Barrens zu einem ausgerichteten Gamma-Beta-Eu tekt i kum.

Zu den erfindungsgemäßen eutektischen Gamma-Beta-Ni-Al-Cr-Fe(Co)-Legierungen der vorliegenden Erfindung können andere Elemente hinzugegeben werden, um ein Härten der Matrix durch Festkörperlösungen zu erhalten. Solche Elemente werden üblicherweise in konventionellen Superlegierungen auf Nickelbasis eingesetzt. Demgemäß können Molybdän und Wolfram zu den eutektischen Gamma-Beta-Legierungen hinzugegeben werden und zwar auf Gewichtsprozentbasis in Mengen von 0 bis 4 Molybdän und/oder 0 bis 10,5 Wolfram entweder einzeln oder in Kombination. Diese Elemente können Nickel, Chrom oder Eisen ersetzen, nicht aber Aluminium.

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Claims

Dr. rer. nah Horst Schuler ⁶⁰⁰° Frankfurt/Main ι 27. Mai 1977

Kaiterstrcme 41 Dr. Sb/Hk/zy

Telefon (0611) 235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto: 225/0389 2 7 ^ ¹L ^ *3 Π Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

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1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Werkstück mit verbesserter Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit

bei hoher Temperatur^ gekennzeichnet durch einen gerichtet erstarrten multivarianten eutektischen Ganma plus Beta-Super I egierungsgußkörper auf Nickelbasis mit einer eutektischen 2-Phasenstruktür, die aus einer Gammaphasenmatriχ als feste Lösung mit einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur auf Nickelbasis besteht, in die eine ausgerichtete verstärkende lamellare Beta-Phase eingebettet ist, die hauptsächlich aus einer Nickel-Eisen-Aluminium-Zusammensetzung besteht, die eine raumzentrierte, kubisch (CsCl) geordnete intermetallische Verbindung auf der Grundlage von (Ni₁Fe)Al ist.
2. Werkstück nach Anspruch "!,dadurch gekennzeichnet, daß der Gußkörper im wesentlichen auf Gewichtsprozentbasis aus 7 bis 12 Aluminium, 5 bis 40 Chrom, 3 bis 35 Eisen und als Rest Nickel besteht.
3. Werkstück nach Anspruch 2_#dadurch gekennzeichnet, daß es 8 bis 11,5 Aluminium, 18 bis 28 Chrom, 5 bis 15 Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel enthält.
4. Werkstück nach Anspruch Z₁ dadurch gekennzeichnet, daß es 0 bis 0,01 Gewichtsprozent Bor enthält.
5. Werkstück nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß es 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Zirkon enthält.

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ORIGINAL INSPECTED
6. Werkstück nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß es O bis 4,0 Gewichtsprozent Molybdän enthält.
7. Werkstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es 0 bis 10,5 Gewichtsprozent Wolfram enthält.
8. Werkstück nach Anspruch 2_/ dadurch gekennzeichnet, daß es 0 bis 35 Gewichtsprozent Kobalt als Ersatz für Eisen auf einer Atomverhältnisbasis von etwa 1:1 enthält.
9. Werkstück nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Gewichtsprozentbasis im wesentlichen aus 8,6 Aluminium, 20,1 Chrom, 16,2 Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel besteht.
10.Werkstück nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Gewichtsprozentbasis im wesentlichen aus 8,9 Aluminium, 20,1 Chrom, 10,8 Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel besteht.
11.Werkstück nach Anspruch 8.dadurch gekennzeichnet, daß es auf Gewichtsprozentbasis im wesentlichen aus 8,5 Aluminium, 19,9 Chrom, 17,0 Kobalt und als Rest im wesentlichen Nickel besteht.

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